DE102006054941B3

DE102006054941B3 - Elektromagnet

Info

Publication number: DE102006054941B3
Application number: DE200610054941
Authority: DE
Inventors: Manfred Muschalle; Jochen Grünschlag
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2026-11-23
Also published as: WO2008061718A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit einem zylinderförmigen hohlen und mit einem Medium gefüllten Magnetkörper, in dem ein axial bewegter Hubanker (2) mit einem Ankerkolben (3) und einer in Betätigungsrichtung weisenden Ankerstange (4) angeordnet ist, wobei die Ankerstange (4) in einer axialen Bohrung (7) des Ankerkolbens (3) befestigt ist und an seiner der Betätigungsrichtung zugewandten Stirnfläche eine Antiklebscheibe (6) aufweist, und in dem Kolben (3) mindestens eine Druckausgleichsöffnung (5) ausgebildet ist, die einen Druckausgleich in dem Antriebsraum herstellt, angrenzend zu den beiden Stirnseiten des Ankerkolbens (3). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antiklebscheibe (6) umfangmäßig radial zur Achse gerichtete Aussparungen (8) aufweist, in denen die Druckausgleichsöffnungen (5) münden, wobei diese radial möglichst nahe im Bereich der Bohrung (7) des Ankerkolbens (3) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Ein gattungsgemäßer Elektromagnet ist zum Beispiel aus der DE 199 34 846 A1 bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird im Bereich von fluidtechnischen Anwendungen ein Magnetkörper von einem Medium in Form von Hydrauliköl, Gas, Luft oder Bremsflüssigkeit durchströmt oder ist mit einem solchen Medium gefüllt. Dabei bewegt sich ein durch Magnetkraft bewegter Anker im Medium. Der Hubraum des Ankers ist Teil eines hydraulischen oder pneumatischen Kreises. Der Anker besteht aus einem durch die Magnetkraft bewegten Ankerkolben und eine in Betätigungsrichtung des Elektromagneten sich erstreckende Betätigungsstange, die in einer axialen Bohrung im Ankerkolben verankert ist.
Zum Ausgleich des bei der Hubbewegung verdrängten Mediums sind im Ankerkolben und in der Stange Ausgleichsbohrungen vorgesehen. Die Stange ist hierzu hohl ausgeführt. Dies ist jedoch zum einen nachteilig in der Herstellung und zum anderen können an der Stirnseite der Stange keine punktgenauen Betätigungsvorgänge realisiert werden. Meist sind solche hohlen Stangen als einziger Druckausgleich nicht ausreichend. Es sind im Ankerkolben zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Der Ankerkolben weist hierzu eine durchgehende Lagerbohrung für die Stange auf, die achsparallel angeordnet ist. Bei erhöhtem Druckausgleich sind weitere Druckausgleichsbohrungen im Ankerkolben notwendig.
An der in Richtung eines Konus des Magneten sich erstreckenden Stirnfläche des Ankerkolbens ist eine Antiklebescheibe vor gesehen, die ein Haften des Ankerkolbens an den Konus nach dem Abschalten des Erregerstromes in der Spule infolge der Remanenzinduktion verhindert. Die Antiklebescheibe besteht aus einem robusten, nichtmagnetischen Material, sie weist umfangmäßig radial zur Achse gerichtete Aussparungen auf und ist als radial nach außen gerichtetes Blechmaterial der Ankerstange ausgeführt. Dadurch weist ihre Umfangsfläche in diesem Bereich radiale Öffnungen auf.
Der Druckausgleich zwischen den beiden Stirnseiten des Ankerkolbens erfolgt im Inneren der durchgehenden Lagerbohrung des Ankerkolbens und durch den Teil im Inneren der hohlen Ankerstange, der sich axial, in Betätigungsrichtung gesehen, bis zu den radialen Öffnungen im Bereich der Antiklebescheibe erstreckt.
DE 42 17 871 A1 zeigt einen Elektromagnet mit achsparallelen Druckausgleichsbohrungen im Ankerkolben und einer kreisrunden Antiklebscheibe, die an der in Richtung der Betätigungsseite gerichteten Stirnwand des Ankerkolbens befestigt ist. Die Ausgleichsbohrungen sind jedoch wegen der kreisrunden Antiklebscheibe am Randbereich des Kolbens angeordnet. Damit wird die für die Magnetkraft wirksame Fläche des Ankerkolbens reduziert, was zu einer Schwächung der Magnetkraft führt. Insbesondere im Außenbereich des Ankerkolbens sind die magnetischen Feld- bzw. Kraftlinien konzentriert. Angestrebt wird daher diesen Bereich des Kolbens als Vollmaterial auszuführen.
DE 197 16 517 B4 zeigt eine hohle Ankerstange eines Elektromagneten, die in einer durchgehenden axialen Bohrung des Ankerkolbens gelagert ist. Für den aus dem Kolben herausragenden Bereich der Stange ist ein Druckausgleich in Form einer Profilierung zum Druckausgleich vorgesehen. Der Ankerkolben selbst weist keine Druckausgleichsmaßnahmen aus. Die durch die Stangenprofilierung entstandenen Ausnehmungen im Kolbenbereich sind mit Kunststoff füllmaterial gefüllt. Die beim Ausspritzen der Ausnehmungen entstandenen axialen Rippen dienen zusammen mit den Ausnehmungen als Verdrehsicherung und zusätzliche Verankerung der Stange im Kolben.
Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Elektromagneten der eingangs genannten Art mit einem verbesserten Druckausgleich im Ankerraum des Magneten zu schaffen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Mit der Erfindung wird ein Magnetkonzept für einen Elektromagneten erstellt, der definierte Druckausgleichsquerschnitte aufweist ohne jedoch die Magnetkraft durch die Materialentnahme wesentlich zu reduzieren. Es erfolgt eine Erhöhung der Magnetkraft bei gleich bleibenden Entlüftungs- oder Ausgleichsbohrungsquerschnitte, da der Außenbereich des Ankerkolbens als Vollmaterial ausgeführt ist.
Auf eine Druckentlastung im Stangeninneren kann verzichtet werden. Eine Innenbohrung der Ankerstange kann entfallen, wodurch Fertigungskosten reduziert werden. Damit kann auch die in Richtung der Betätigung angeordnete Stirnseite der Stange punktgenau, beispielsweise von einem Ventilschieber eines Ventils, angesteuert werden, der in Wirkverbindung zu der Stange steht. Durch die umfangsmäßigen Ausnehmungen der Antiklebescheibe können diese Bohrungen jetzt nahe in dem Bereich der Magnetachse verlegt werden. Der achsaxiale Abstand wird lediglich durch den Ankerstangendurchmesser begrenzt. In einer weiter unten noch ausführlich beschriebenen Ausführungsform der Erfindung können die Druckausgleichsöffnungen direkt in der Ankerstangenbohrung des Kolbens angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausführung kann die Antiklebscheibe als Teil der Ankerstange ausgeführt werden. Damit ist eine Orientierung mit dem Ankerkolben bei der Fertigung des kompletten Hubankers (Ankerkolben + Ankerstange) gewährleistet, sie bilden ein Bauteil, das direkt in die axiale Bohrung des Ankerkolbens eingefügt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckausgleichsöffnungen als achsenparallele und durchgehende Bohrungen ausgeführt sind. Durch diese Anordnung wird das verdrängende Fluid gleichmäßig zu beiden Kolbenstirnseiten verdrängt.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, die axiale Bohrung, in der die Ankerstange mit Kolben verbunden ist, nicht nur als Sackbohrung, sondern als durchgehende axiale Bohrung im Kolben auszuführen. Wenn diese Bohrung darüber hinaus noch einen Durchmesser aufweist, der wesentlich größer ist als der Stangedurchmesser, kann der Zwischenraum zwischen der Kolbenbohrung und dem Stangendurchmesser für den Druckausgleich verwendet werden, der damit ohne zusätzliche Magnetverluste durchgeführt werden kann. Für die Lagerung der Ankerstange in einem solchen vergrößerten Bohrungsdurchmesser des Kolbens können im axialen Abstand radiale sich erstreckende Halteelemente eingebaut werden.
Da bei der Erfindung die Antiklebscheibe Aussparungen aufweist und als Teil der Ankerstange ausgeführt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Stange Ausnehmungen aufweist, wobei die Aussparungen der Antiklebescheibe und die Ausnehmungen der Ankerstange deckungsgleich sind. Der Druckausgleich im Magnetraum wird damit durch ein Polygonprofil im Lagerbereich der Ankerstange ausgeführt. Die Ausnehmungen der Ankerstange können sich über die gesamte axiale Länge der Stange erstrecken. Es ist aber ausreichend, wenn das Polygonprofil nur den Teil der Stange umfasst, der im Kolben gelagert ist.
Die axiale Bohrung im Ankerkolben mit der Funktion des Druckausgleiches kann in einer ersten Ausführung über die gesamte Länge des Kolbens den gleichen Durchmesser aufweisen. Alternativ ist aber auch eine Ausführung in Form einer abgesetzten axialen Bohrung, die im Bereich der Stangenlagerung im Kolben einen Hohlraum mit vergrößertem Durchmesser bildet. Die Ankerstange ist nur in diesem Hohlraum gelagert. Zwischen dem Durchmesser der Stange und dem des Hohlraumes ist ein Zwischenraum zum Druckausgleich vorgesehen. Der übrige Bereich der Bohrung bis zum hinteren Ende des Kolbens weist einen kleineren Durchmesser auf als der Hohlraum.
Der Druckausgleich zwischen den beiden Stirnseiten des Ankerkolbens erfolgt somit von der hinteren Stirnseite über diesen kleinen Durchmesserbereich, längs des Zwischenraumes zwischen dem Stangendurchmesser (kreisförmig oder polygon) bis zu den Aussparungen der Antiklebscheibe auf der anderen Stirnseite des Kolbens.
Die enge Verbindung von Ankerstange und Antiklebscheibe kann generell dadurch realisiert werden, dass die Antiklebescheibe im Presssitz auf den Umfang der Ankerstange angeordnet ist und das Bauteil ebenfalls im Presssitz in der Bohrung des Ankerkolbens befestigt ist. Die Antiklebescheibe ist als Flansch ausgestaltet mit einem radial sich erstreckenden Schulterteil, dessen Durchmesser größer ist als das der Stange in diesem Bereich, und einem in axialer Richtung sich erstreckenden Bereich. Die gesamte Stange mit der radial sich erstreckenden Antiklebscheibe kann alternativ auch aus einem Stück durch formgebende Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Ausführungsbeispiel
1 bis 3 zeigen in unterschiedlichen Darstellungen eine erste Ausführungsform der Erfindung.
4 bis 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
8 bis 10 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Elektromagneten 1 in der Bauart eines zylinderförmigen Hubmagneten. Im Magnetteil des Elektromagneten ist koaxial ein Hubanker 2 angeordnet, der einen zylinderförmigen Ankerkolben 3 mit einer in einer axialen Betätigungsrichtung herausragenden Ankerstange 4 umfasst. Zur Befestigung der Ankerstange 4 weist der Kolben 3, wie aus 3 ersichtlich, eine durchgehende Ankerbohrung 7 auf.
Die übrigen Bestandteile des Magnetteils wie der Konus, das Joch und flussführende Gehäuse sind koaxial um den Hubanker 2 angeordnet. Deren Anordnung ist dem Fachmann vertraut, so dass auf eine Darstellung dieser Teile verzichtet werden. Die folgenden Ausführungen beziehen sich daher ausschließlich auf die Beschreibung des Hubankers 2.
Der Elektromagnet 1 dient beispielsweise zur Ansteuerung eines hydraulisch gesteuerten Ventils oder ist sogar Teil desselben. Ein Stellelement des Ventils, zum Beispiel ein Ventillängsschieber, steht über die Ankerstange 4 in Wirkverbindung mit dem Hub des Ankerkolbens 3.
Der Magnetteil des Elektromagneten 1 ist in Folge der hydraulischen Ventilansteuerung vollständig mit dem Hydraulikmedium gefüllt. Auf Grund eines Druckausgleiches bei der Bewegung des Hubankers 2 sind daher axiale Druckausgleichöffnungen 5 im Ankerkolben 3 vorgesehen, die in der Ausführung von 1 bis 3 als separate, durchgehende Bohrungen ausgeführt sind, die im möglichst na hen achsparalellen Abstand zu der zentralen Ankerbohrung 7 angeordnet sind.
Damit der Ankerkolben 3 nicht bei einer Hubbewegung in Betätigungsrichtung an einer gegenüberliegenden Stirnwand des Konusses des Magneten 1 anhaftet, ist an der Ankerstirnwand eine Antiklebscheibe 6 vorgesehen. Diese weist im Bereich der Mündung der Druckausgleichsöffnungen 5 umfangmäßig verteilte Aussparungen 8 auf, wie dies insbesondere aus 2 ersichtlich ist. Durch diese Anordnung können die achsparallelen Ausgleichsöffnungen 5 im Vergleich zu herkömmlichen Öffnungen sehr nahe an die zentrale Ankerbohrung 7 angeordnet werden. Der Verlauf des magnetischen Flusses im Kolben 3, und damit die Kraftwirkung, verläuft dadurch homogener und erzeugt eine größere Kraftwirkung auf den Kolben 3, da der Flussverlauf nahezu nur volles Kolbenmaterial durchdringt.
Die Ankerstange 4 weist in der Ausführung von 1 bis 3 einen kreisförmigen Querschnitt auf, wie dies insbesondere aus 3 ersichtlich ist. Das Innere der Stange 4 besteht aus Vollmaterial und ist nicht bearbeitet. Innere Längs- und/oder Querbohrungen sind nicht mehr erforderlich, können aber als zusätzliche Druckausgleichsöffnungen ohne weiteres vorgesehen sein.
Die Stange 4 weist an ihrem abragenden Längsbereich eine Lagerstelle 9 auf, die auf dem Stangeumfang als Polygonprofil ausgeführt ist. Die ausschließliche Stangenlagerung macht eine zusätzliche Lagerstelle des Ankerkolbens 3 im Magnetteil nicht mehr erforderlich.
Aus Fertigungsgründen ist die Antiklebscheibe 6 als Teil der Ankerstange 4 ausgeführt. Das radial von der Stange abragende Teil, das die Antiklebscheibe 6 mit den Aussparungen 8 umfasst, ist ein Drehteil mit einem entsprechend den Anforderungen hergestellten Oberflächenprofil.
Für die weitere Figurenbeschreibung werden gleich funktionierende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die 4 bis 8 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei dem der die Druckausgleichsöffnungen 5 in der zentralen Ankerbohrung 7 des Kolbens integriert sind und keine zusätzlichen Druckausgleichsöffnungen mehr erforderlich werden. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung des Elektromagnet 1, 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung in Höhe der vorderen Stirnwand des Kolbens 3 und 7 zeigt die entsprechende Längsquerschnittdarstellung des Hubankers 2.
6 zeigt die für die Ausführung von 4, 5 und 7 verwendete Stange. Die 9 und der dazu gehörige Längsquerschnitt in 10 zeigt eine Variante der Stange 4, die in den Ankerkolben 3 gemäß 8 engesetzt ist.
In beiden Ausführungsformen ist es erforderlich, die Ankerbohrung 7 so zu vergrößern, das zwischen dem Durchmesser der Ankerstange 4 und dem der Bohrung 7 ein axial sich erstreckender Zwischenraum 10 vorhanden ist, der sich über die gesamte Länge des Kolben 3 erstreckt und als Druckausgleich für die beiden Stirnseiten des Kolbens verwendet wird. Die Ankerstange 4 weist im Gegensatz zu den Ausführungen der 1 bis 3 einen polygonen Querschnitt, der in der Darstellung von 6 sich über die gesamte axiale Länge erstreckt. Die polygonen Ausnehmungen 11 bilden in der Ankerbohrung 7 den Zwischenraum 10 für den Druckausgleich. Die radialen Spitzen des Polygonquerschnittes der Stange 4 bilden Halteelemente an der Innenwandung der Ankerbohrung 7.
Die Hubankerdarstellung der 8 zeigt eine abgesetzte Bohrung mit einem vergrößerten Durchmesserbereich im Bereich der Stangenlagerung im Kolben 3. Die zugehörige Ankerstange 4 ist in perspektivischer Darstellung in 9 dargestellt. Der zugehörige Längsquerschnitt zeigt 10. Letztere Darstellung zeigt eine Ausführung ohne aufgesetzte oder ausgedrehte Antiklebscheibe 6, die sich im Übrigen nicht von der Ausführung mit den zusätzlichen Druckausgleichsöffnungen (1 bis 3) unterscheidet.
Die Stangenform weist in ihrem herausragenden Bereich einen kreisrunden Querschnitt aus, wie dies insbesondere aus 9 ersichtlich ist. In diesem Bereich ist die Lagerstelle 9 für den gesamten Anker 2 vorgesehen. Der Lagerbereich der Stange 4 im Kolben 3 (siehe 8) weist hingegen einen polygonen Querschnitt auf mit entsprechenden Ausnehmungen 11 und Halterungen für den abgesetzten Bereich der Ankerkolbenbohrung 7.

1: Elektromagnet
2: Hubanker
3: Ankerkolben
4: Ankerstange
5: Druckausgleichsöffnungen
6: Antiklebscheibe
7: Ankerbohrung
8: Aussparung
9: Lagerstelle
10: Zwischenraum
11: Ausnehmung

Claims

Elektromagnet mit einem zylinderförmigen hohlen und mit einem Medium gefüllter Magnetkörper, in dem ein axial bewegter Hubanker (2) mit einem Ankerkolben (3) und einer in Betätigungsrichtung weisende Ankerstange (4) angeordnet ist, – wobei die Ankerstange (4) in einer axialen Bohrung (7) des Ankerkolbens (3) befestigt ist und an seiner der Betätigungsrichtung zugewandten Stirnfläche eine Antiklebscheibe (6) aufweist, die umfangmäßig radial zur Achse gerichtete Aussparungen (8) aufweist, in denen Druckausgleichsöffnungen (5) münden, die einen Druckausgleich in dem Antriebsraum herstellt, angrenzend zu den beiden Stirnseiten des Ankerkolbens (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnungen (5) innerhalb des Kolbens (3) und dort radial möglichst nahe im Bereich der Bohrung (7) des Ankerkolbens (3) angeordnet sind und zwischen den Aussparungen (8) der Antiklebscheibe (6) münden, wobei die Ankerstange (4) selbst einen nichthohlen mit Material ausgefüllten Zylinder umfasst.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antiklebscheibe (6) als Teil der Ankerstange (4) ausgeführt ist.
Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnung (5) achsparallel als durchgehenden Bohrungen ausgeführt sind.
Elektromagnet nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bohrung (7) im Ankerkolben (3) als durchgehende Bohrung ausgeführt ist.
Elektromagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnungen (5) in einer vergrößerten axiale Bohrung (7) des Ankerkolbens (3) angeordnet sind.
Elektromagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerstange (4) radial sich erstreckenden und auf der axialen Länge angeordneten Haltelemente aufweist, die in der Bohrungswandung der Ankerbohrung (7) verankert sind.
Elektromagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bohrung (7) einen über die gesamte Länge des Ankerkolbens (3) sich erstreckenden gleichen Durchmesser aufweist.
Elektromagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bohrung (7) als abgesetzte Bohrung ausgeführt ist und die Ankerstange (4) nur in dem vergrößerten, abgesetzten Teil gelagert ist.
Elektromagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerstange (4) auf ihrer gesamten axialen Länge Ausnehmungen (11) aufweist.
Elektromagnet nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (8) der Antiklebscheibe (6) und die Ausnehmungen (11) der Ankerstange (4) deckungsgleich sind.
Elektromagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (8) der Ankerstange (4) und die Ausnehmungen der Antiklebscheibe (6) ein Polygonprofil bzw. axiale Abflachungen der Stange 4 umfassen.
Elektromagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antiklebscheibe (6) im Presssitz auf den Umfang der Ankerstange (4) angeordnet ist und das Bauteil ebenfalls im Presssitz in der Bohrung des Ankerkolbens (3) befestigt ist.
Elektromagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antiklebscheibe (6) als Flansch ausgestaltet ist mit einem radial sich erstreckenden Schulterteil, dessen Durchmesser größer ist als der Stangendurchmesser in diesem Bereich, und einen in axialer Richtung sich erstreckenden Bereich des Flansches.